DE102015014490A1

DE102015014490A1 - Verfahren zur Verarbeitung eines Blechwerkstücks

Info

Publication number: DE102015014490A1
Application number: DE102015014490.1A
Authority: DE
Inventors: Ronald Sanders; Hartmut BAUMGART
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2017-05-11
Also published as: US20170133153A1; US10297384B2; CN107012310A

Abstract

Ein Werkstücks (2, 8, 18) aus Blech wird einer seine magnetische Permeabilität lokal modifizierenden Behandlung unterzogen. Anschließend wird mittels einer Sonde (10) die magnetische Permeabilität des Werkstücks (8, 18) ortsaufgelöst untersucht, um wenigstens einen Oberflächenbereich (12, 17, 22, 25) zu finden, der für eine beabsichtigte Bearbeitung geeignet ist, und die Bearbeitung wird lokal auf den ausgewählten Bereich (12, 17, 22, 25) begrenzt vorgenommen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Werkstücks aus Blech.
Aus DE 196 50 258 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Eigenschaften eines Metallteils oberflächlich durch Laserlegieren modifiziert werden, wobei die Legierungskomponenten in Form von Stäben oder Drähten zugeführt werden. Die modifizierten Bereiche sind nach dem Laserlegieren in der Regel nicht schwer von unlegierten Bereichen zu unterscheiden, da bei der örtlich eng begrenzten Zufuhr von Material durch den Stab oder Draht kaum zu vermeiden ist, dass an der Oberfläche des Blechs Unebenheiten zurückbleiben.
In der Anmeldung DE 10 2014 010 660.8 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Eigenschaften eines Blechs lokal modifiziert werden, indem eine ein Legierungselement enthaltende amorphe Masse lokal auf das Blech aufgebracht wird und zusammen mit dem Blech erhitzt wird, um ein in der Masse enthaltenes Legierungselement in den von der Masse bedeckten Teil der Oberfläche des Blechs einzulegieren, während der unbedeckte Rest der Oberfläche unlegiert bleibt. Da die amorphe Masse großflächig aber in einer erheblich dünneren Schicht als mit einem Stab oder Draht aufgebracht werden kann, hinterlässt eine solche Behandlung nicht notwendigerweise sichtbare Spuren an der Oberfläche des Blechs, die eine eindeutige Unterscheidung legierter und unlegierter Bereiche voneinander ermöglichen. Dies macht es schwierig, die Lage der legierten Bereiche bei der weiteren Verarbeitung des Blechs zu berücksichtigen. Wenn jedoch die Lage der legierten Bereiche nicht berücksichtigt wird, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass ein nachfolgender Verarbeitungsschritt an einem Oberflächenbereich vorgenommen wird, der dafür nicht geeignet ist, so dass die Verarbeitung misslingt oder zu einem qualitativ mangelhaften Produkt führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache und zuverlässige Weise sichergestellt werden kann, dass Verarbeitungsschritte an den dafür vorgesehenen Oberflächenbereichen vorgenommen werden.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass durch das lokale Einlegieren von Elementen in die Oberfläche eines Blechs nicht nur für die weitere Verarbeitung relevante Eigenschaften wie Duktilität, Schweißbarkeit etc. maßgeblich beeinflusst werden, sondern auch der – für Anwendungen insbesondere im Fahrzeugbau nicht relevante – Ferromagnetismus, und dass die magnetische Permeabilität eines Oberflächenbereichs eines Blechs – insbesondere im Vergleich mit anderen Oberflächenbereichen desselben Blechs – deutlich anzeigen kann, ob der betreffende Oberflächenbereich einem Einlegieren unterzogen worden ist oder nicht. Deshalb kann, wenn bei der Verarbeitung eines Werkstücks aus Blech die magnetische Permeabilität des Werkstücks ortsaufgelöst untersucht wird, anhand der Untersuchungsergebnisse sicher unterschieden werden, welcher Bereich des Blechs für eine beabsichtigte Bearbeitung geeignet ist und welcher nicht, und die Bearbeitung kann lokal auf den ausgewählten, geeigneten Bereich begrenzt vorgenommen werden.
Im Automobilbau werden im wesentlichen ferritische Stahlbleche, d. h. Bleche mit kubisch raumzentrierter Gitterstruktur verwendet, die von Natur aus ferromagnetisch sind. Durch Erhitzen auf oberhalb der Austenitisierungstemperatur ändert sich die Gitterstruktur auf kubisch flächenzentriert, und der Ferromagnetismus geht verloren. Durch Zusatz von austenitbildenden Legierungselementen wie z. B. Ni, Co, Mn, C kann erreicht werden, dass der Austenitzustand auch bei Raumtemperatur erhalten bleibt. Wenn das Einlegieren dieser Elemente örtlich selektiv erfolgt, kann ein Blech mit von Ort zu Ort unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften erhalten werden.
Umgekehrt kann in ein ursprünglich austenitisches Blech, z. B. aus einem Edelstahl, ein ferritisierender Zusatz einlegiert werden, um einen Bereich mit abweichender magnetischer Permeabilität zu schaffen.
Ein Bereich, dessen magnetische Eigenschaften sich vom Rest eines Werkstücks unterscheiden, kann, auch wenn er mit dem Auge nicht sichtbar ist, durch Abtasten der Oberfläche des Werkstücks mit einer magnetischen Sonde wie etwa einer Hall- oder Förstersonde gefunden werden. Basierend auf der Kenntnis der Lage dieses Oberflächenbereichs kann anschließend ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks – bei dem es sich um den austenitischen Oberflächenbereich selber oder einen benachbarten ferritischen Bereich handeln kann, lokalisiert werden, um anschließend an diesem Bereich eine lokale Bearbeitung vorzunehmen.
Die lokale Bearbeitung kann insbesondere ein Zerschneiden des Werkstücks im ausgewählten Bereich sein; so kann das Werkstück in mehrere jeweils getrennt weiterverarbeitbare Teile zerlegt werden.
Ein in dieser Weise zu zerschneidendes Werkstück kann eine Vielzahl von identisch geformten behandelten Bereichen aufweisen, wobei die Lokalisierung einer Schnittlinie anhand dieser Bereiche zur Folge hat, dass die behandelten Bereiche auf jedem der erhaltenen Teile in gleicher Weise angeordnet sind.
Das Werkstück kann insbesondere ein – im Allgemeinen von einem Coil abgewickeltes – Blechband und die lokale Bearbeitung ein Ausschneiden von Teilen zur Weiterverarbeitung aus dem Blechband sein.
Die lokale Bearbeitung kann auch ein Umformen des Werkstücks in dem ausgewählten Bereich oder das Befestigen eines zweiten Werkstücks an dem ausgewählten Bereich sein. Das Befestigen des zweiten Werkstücks kann durch Verschweißen, Verschrauben oder Nieten erfolgen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 den schematischen Ablauf des Verfahrens gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 ein Detail des Verfahrens aus 1;
3 eine lokale Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens;
4 eine lokale Bearbeitung gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung; und
5 schematisch ein Werkstück für eine vierte Ausgestaltung des Verfahrens.
1 zeigt schematisch verschiedene Stadien des Verfahrens gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. In einem ersten Stadium, gezeigt im rechten Teil von 1, liegt ein zu bearbeitendes ferromagnetisches Stahlblech als zu einem Coil 1 aufgewickeltes Blechband 2 vor.
Das Blechband 2 wird nach und nach vom Coil 1 abgewickelt und passiert eine Siebdruckvorrichtung oder, wie in der Figur gezeigt, eine oder mehrere Sprühdüsen 3, die eine amorphe Masse 4 in sich periodisch wiederholenden Mustern 11, wie rein exemplarisch in 2 in einer Draufsicht gezeigt, durch Sprühen auf einen Teil der Oberfläche des Bandes 2 aufbringen, während dieses unter den Düsen 3 hindurch läuft. Die Düsen 3 können ortsfest oder quer zur Laufrichtung des Blechbands 2 beweglich sein.
Die amorphe Masse enthält wenigstens ein Legierungselement wie etwa Chrom oder Mangan, das beim Einlegieren austenitisierend auf die mit der Masse 4 beschichteten Bereiche des Blechbandes 2 wirkt. Zusätzlich können noch andere Elemente enthalten sein, die durch Einlegieren dem beschichteten Bereich des Blechbandes 2 für die Weiterverarbeitung gewünschte Eigenschaften verleihen, die je nach Art der vorgesehenen Weiterverarbeitung unterschiedlich sein können.
Nach dem Auftragen der amorphen Masse 4 auf das Blechband 2 durchläuft dieses einen Ofen 5, in dem es einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der die Legierungselemente aus der amorphen Masse 4 in die mit der Masse 4 beschichteten Oberflächenbereiche des Blechs 2 eindiffundieren. Die Wärmebehandlung erfolgt unter Inertgasatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff, um unerwünschte Reaktionen des Blechbandes 2 oder der Masse 4 mit Luftsauerstoff auszuschließen.
Nach der Wärmebehandlung im Ofen 5 kann das Blechband 2, wie durch eine gestrichelte Linie 6 angedeutet, unmittelbar von einem Stanzwerkzeug oder Messer 7 zu Teilen 8 vereinzelt werden; besonders vorteilhaft anwendbar ist die Erfindung jedoch in dem Falle, wo das Blechband 2 nach der Wärmebehandlung zu einem Coil 9 aufgewickelt wird und das Coil 9 erst anschließend zum Vereinzeln der Werkstücke 8 wieder abgewickelt wird. So kann insbesondere das Beschichten mit der amorphen Masse 4 und die Wärmebehandlung im Ofen 5 nach Maßgabe eines Auftraggebers im Stahlwerk, eventuell sogar unmittelbar im Anschluss an das Walzen und vor dem erstmaligen Aufwickeln, vorgenommen werden und das solcherart lokal legierte Coil 9 an den Auftraggeber geliefert werden. Die Vereinzelung und anschließende Weiterverarbeitung der Teile 8 findet dann nach Auslieferung des Coils 9 an den Auftraggeber in dessen Fertigungsanlagen statt.
Die legierten, zumindest oberflächlich austenitisierten Bereiche und die unlegierten Bereiche des Blechbandes 2 sind voneinander anhand ihrer unterschiedlichen magnetischen Permeabilität unterscheidbar. Wenn das Coil 9 beim Auftraggeber abgewickelt und dabei das Blechband 2 an einer magnetischen Sonde wie etwa einer Förstersonde 10 vorbeigeführt wird, bewirken der Durchlauf der sich wiederholenden Muster 11 vor der Sonde 10, dass diese für die magnetische Permeabilität des durchlaufenden Materials repräsentatives periodisches Signal μ(t), entsprechend dem kleinen Diagramm in 2 liefert, anhand dessen auf die Lage der Muster 11 auf dem Blechband 2 rückgeschlossen und die Bewegung des Messers 7 so mit der des Blechbandes 2 synchronisiert wird, dass das Blechband 2 jeweils in einem Bereich 12 zwischen zwei Mustern 11 durchtrennt wird und ein vollständiges, wohlzentriertes Muster 11 auf jedes von dem Messer 7 abgeschnittene Teil 8 entfällt.
Ein auf diese Weise erhaltenes Teil 8 bildet das Werkstück 8 eines nachfolgenden, in 3 dargestellten Verarbeitungsschritts. Das Muster 11 besteht hier aus zwei legierten bzw. austenitischen Bereichen, einem Ring 13 und einem Stern 14. Das Werkstück 8 kann zur weiteren Bearbeitung durch Tiefziehen auf einer Ziehmatrize 15 platziert werden. Drei magnetische Sonden 10 sind hier auf einem Kreis angeordnet, dessen Durchmesser dem des Rings 13 entspricht; sie können in einem nicht dargestellten Niederhalter enthalten sein. Wenn alle drei Sonden 10 eine geringe magnetische Permeabilität μ entsprechend einer austenitischen Oberfläche messen, dann liegt der Ring 13 auf dem Kreis der Sonden 10, und das Werkstück 8 ist korrekt im Bezug auf die Ziehmatrize 15 zentriert. So ist, wenn ein Ziehstempel 16 auf das Werkstück 8 abgesenkt wird, die resultierende Verformung und Dehnung des Blechs sich auf einen nicht legierten, gut duktilen ferritischen Bereich 17 zwischen dem zwischen Ziehmatrize 15 und Niederhalter fixierten Ring 13 und dem Stern 14 beschränkt.
4 zeigt ein becherförmiges Werkstück 18, das aus dem Werkstück 8 durch den Tiefziehschritt der 3 erhalten sein könnte. Der sternförmige legierte Bereich 14 befindet sich am Boden des Bechers, und in seiner Mitte soll ein nicht dargestelltes weiteres Werkstück durch Schweißen, Nieten, Verschrauben oder dergleichen befestigt werden. Um die Mitte des Sterns 14 zu finden, werden zwei magnetische Sonden 10 auf in etwa parallelen, die Strahlen des Sterns 14 kreuzenden Wegen 19 über den Boden des Bechers geführt. Dabei werden auf jedem Weg 19 zwei Punkte 20, 21 ermittelt, an denen der Weg 19 einer Sonde 10 die Strahlen des Sterns 14 kreuzt. Ein Schnittpunkt 22 einer durch die Punkte 20 verlaufenden Geraden und einer durch die Punkte 21 verlaufenden Geraden gibt den Mittelpunkt des Sterns 14 an, so dass ein Werkzeug 23 wie etwa ein Bohrer, eine Schweißelektrode oder dergleichen exakt auf den Punkt 22 ausgerichtet und mit seiner Hilfe das nicht dargestellte zweite Werkstück exakt in der Mitte des Sterns 14 befestigt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht notwendigerweise auf die Differenzierung von legierten und nichtlegierten Bereichen und die Ausnutzung von deren unterschiedlichen Eigenschaften beschränkt. So ist es etwa durchaus möglich, auf das Blechband 2 Muster aufzubringen, die aus zwei oder mehr unterschiedlich zusammengesetzten amorphen Massen bestehen, um daraus ein Werkstück 8 wie in 5 gezeigt zu erhalten. Unter den verwendeten amorphen Massen kann sich eine befinden, die beim Einlegieren in das Blech zwar einen Bereich 24 mit für eine bestimmte Art der Weiterverarbeitung gewünschten Eigenschaften liefert, dessen magnetische Eigenschaften sich aber womöglich nicht stark genug von denen des unlegierten Blechs unterscheiden, um eine direkte Erkennung des Bereichs 24 durch die magnetische Sonde 10 zu erlauben oder dessen Gestalt – z. B. weil sie aus vielen identischen Elementen zusammengesetzt ist – für eine eindeutige Positionsmessung schlecht geeignet ist. Um in diesem Bereich 24 einen Punkt 25 – z. B. für die Befestigung eines weiteren Werkstücks daran – eindeutig zu definieren, kann eine zweite Masse aufgetragen werden, die in der anschließenden Wärmebehandlung austenitische Bereiche 26 bildet, die am behandelten Blech sicher erfassbar sind und aus deren Position die des Punktes 25 leicht abgeleitet werden kann.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Coil
2: Blechband
3: Sprühdüse
4: Masse
5: Ofen
6: Linie
7: Messer
8: Teil
9: Coil
10: Förstersonde
11: Muster
12: Bereich
13: Ring
14: Stern
15: Ziehmatrize
16: Ziehstempel
17: ferritischer Bereich
18: Werkstück
19: Weg
20: Punkt
21: Punkt
22: Schnittpunkt
23: Werkzeug
24: legierter Bereich
25: Schnittpunkt
26: austenitischer Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19650258 A1 [0002]
DE 102014010660 [0003]

Claims

Verfahren zur Verarbeitung eines Werkstücks (2, 8, 18) aus Blech, bei dem das Werkstück einer seine magnetische Permeabilität lokal modifizierenden Behandlung unterzogen und anschließend die magnetische Permeabilität des Werkstücks (8, 18) ortsaufgelöst untersucht wird, um wenigstens einen Oberflächenbereich (12, 17, 22, 25) zu finden, der für eine beabsichtigte Bearbeitung geeignet ist, und die Bearbeitung lokal auf den ausgewählten Bereich (12, 17, 22, 25) begrenzt vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Werkstück ferritisch ist und die modifizierende Behandlung eine Austenitisierung eines Bereichs (11) des Werkstücks (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Werkstück austenitisch ist und die modifizierende Behandlung eine Ferritisierung eines Bereichs (11) des Werkstücks (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die modifizierende Behandlung das Einlegieren eines Zusatzes in einen Bereich (11) des Werkstücks (2) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die lokale Bearbeitung ein Zerschneiden des Werkstücks (2) im ausgewählten Bereich (12) ist, um Teile (8) zur Weiterverarbeitung aus dem Werkstück (2) zu gewinnen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Werkstück (2) eine Vielzahl von identisch geformten austenitisierten Bereichen aufweist und durch das Zerschneiden Teile (8) erhalten werden, auf denen die austenitisierten Bereiche in jeweils gleicher Weise angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Werkstück ein Blechband (2) oder eine Platine ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die lokale Bearbeitung ein Umformen des ausgewählten Bereichs (17) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Bereich ein Befestigungspunkt (22, 25) und die Bearbeitung das Befestigen eines zweiten Werkstücks an dem Befestigungspunkt (22, 25) ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Befestigungspunkt (22) in einem austenitisierten Oberflächenbereich (14) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Befestigen des zweiten Werkstücks durch Verschweißen, Verschrauben oder Nieten erfolgt.